基于整車E/E架構(gòu)功能分配的方法研究

李 瑋

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：E/E架構(gòu) 功能分配 方法

1 E/E架構(gòu)

E/E(Electrical/Electronics)架構(gòu)是整車電子電氣功能的總體布置，是整車各電子電氣系統(tǒng)間的總體規(guī)劃、協(xié)調(diào)和平衡，是基于全局的整車電子電氣總體開發(fā)[1]。E/E架構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容包括功能需求分析、功能定義、功能分配、網(wǎng)絡(luò)通訊和線束拓?fù)洹⒐δ馨踩确矫娴膬?nèi)容。隨著電子技術(shù)、通迅技術(shù)、控測感知等技術(shù)的成熟，汽車進(jìn)入了“有人駕駛”和“無人駕駛”的過渡期，尤其是近年互聯(lián)控制、互聯(lián)共享以及互聯(lián)駕駛在汽車行業(yè)的興起，汽車研發(fā)也從“人-車-路”的閉環(huán)研究向“智能-車-路”的閉環(huán)研究轉(zhuǎn)換。無人駕駛車輛的研發(fā)在不斷的試錯中積累經(jīng)驗并不斷完善，也是新功能逐漸增加或合并的過程，新功能的增加必然導(dǎo)致架構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性或多樣化。功能分配是架構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，功能分配的合理性直接影響整車的成本、開發(fā)質(zhì)量和開發(fā)進(jìn)度。

功能分配主要有兩種情況：一是建立全新平臺架構(gòu)的功能分配；二是在現(xiàn)有的架構(gòu)平臺上增加新功能的功能再分配。第一種情況是整車架構(gòu)平臺更新?lián)Q代時使用，而在現(xiàn)實的架構(gòu)設(shè)計中第二種情況時有發(fā)生，而且對全新設(shè)計也不失通用性和適用性。本文重點(diǎn)論述如何在現(xiàn)有的架構(gòu)上增加新功能的分配方法。

2 功能分配

2.1 功能分配的前提

功能分配是架構(gòu)設(shè)計的中間步驟，功能分配設(shè)計須具備一定的前提條件才能進(jìn)行。E/E架構(gòu)設(shè)計始于功能需求。基于PREEvision工具的開發(fā)過程，功能需求可轉(zhuǎn)化為整車E/E功能列表后導(dǎo)入PREEvision系統(tǒng)，根據(jù)功能列表，制定每條功能的功能規(guī)范。功能規(guī)范涉及到功能的具體定義以及實現(xiàn)功能所需的相關(guān)的輸入輸出條件。功能的邏輯架構(gòu)是以功能規(guī)范為基礎(chǔ)設(shè)計的功能模型，功能分配是將不同的功能模型映射到控制模塊的過程。功能分配是架構(gòu)設(shè)計中的一個關(guān)鍵步驟，通過功能分配，導(dǎo)出最終的架構(gòu)設(shè)計方案，形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌敵鲎罱K的系統(tǒng)方案。本文重點(diǎn)討論功能分配的分析過程。如圖1是功能分配設(shè)計過程圖（其中虛框內(nèi)為功能分配過程）。功能分配的前提條件是各功能的功能規(guī)范以及邏輯模型等。

圖1 功能分配設(shè)計流程

2.2 功能分配的方法

在現(xiàn)有的架構(gòu)上增加新功能時，關(guān)鍵是在實現(xiàn)功能要求的情況下，傳感部件和執(zhí)行部件優(yōu)先考慮利用原車現(xiàn)有資源，對控制部分盡可能避免增加額外的控制單元，最理想的當(dāng)然是只增加新軟件而不增加硬件的成本。原則上還要考慮線束的布局，整車功能的不同配置等因素。要達(dá)到這種目的，首先需要充分了解現(xiàn)有的架構(gòu)形式，圖2是目前典型的架構(gòu)形式。

圖2 典型的汽車E/E架構(gòu)[2]

汽車E/E架構(gòu)目前是分成不同的域，比如動力域、底盤域、信息娛樂域、自動駕駛域等等。圖2是為說明下面的例子只標(biāo)出相應(yīng)的幾條總線。新功能增加主要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）現(xiàn)有E/E架構(gòu)不能有改變；

（2）在增加新功能后，所有總線負(fù)載不能超過閾值（比如55%）；

（3）新功能增加導(dǎo)致不同CAN總線上的幀的延遲不能超過每個幀的最大限值[3]（比如100 ms）；

（4）新功能的執(zhí)行時間不能超過功能規(guī)范要求的最大值（比如2 000 ms）；

（5）控制器的負(fù)荷不能超過其硬件處理的最大能力。

以智能遠(yuǎn)光功能為例說明在現(xiàn)有架構(gòu)上增加新功能的分析方法。根據(jù)功能規(guī)范、智能遠(yuǎn)光功能的接口由5個輸入功能和2個輸出功能組成，如圖3所示。

按照功能規(guī)范，智能遠(yuǎn)光功能的輸入1是設(shè)置整個系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉的選項，這個通常是在主機(jī)屏幕上進(jìn)行設(shè)置；輸入2是指燈光開關(guān)的狀態(tài)，表明燈光開關(guān)是處于自動擋，且是非人為的遠(yuǎn)光行為；輸入3是環(huán)境識別，包括本車道是否有車、對面車道是否有來車、路燈識別以及是否有霧的識別；輸入4是識別白天和夜晚，當(dāng)然只有在夜晚才存在是否點(diǎn)亮遠(yuǎn)光的狀況；輸入5是車速的識別，只有車速大于一定限值時才能開啟智能遠(yuǎn)光的功能。所有的輸入條件輸入到控制模塊，經(jīng)過控制模塊的邏輯判斷后給出兩個輸出。輸出1是控制遠(yuǎn)光的點(diǎn)亮與熄滅，輸出2是顯示智能遠(yuǎn)光的工作狀態(tài)。

圖3 輸入輸出功能接口

從以上功能描述可知，輸入與輸出都是原車上現(xiàn)有的部件和已具備的條件，但是如何映射到邏輯模塊中進(jìn)行重新分配而實現(xiàn)一個新的功能。在做功能分配時往往是將邏輯模塊再分到更細(xì)的子功能模塊，由不同的映射結(jié)果得出不同的分配方案。

2.3 功能分配方案

以上實例是在現(xiàn)有的架構(gòu)中增加新的功能，因此原架構(gòu)的狀態(tài)是已知的，包括整車控制器的數(shù)量、各控制器的負(fù)荷、總線的通訊速率、總線負(fù)載等。對于智能遠(yuǎn)光功能有很多要求，簡化時序約束影響如下：

a)功能從開啟設(shè)置到響應(yīng)時間不超過25 ms

b)功能從感知到執(zhí)行遠(yuǎn)光燈點(diǎn)亮?xí)r間不超過500 ms

由于原架構(gòu)方案為燈光開關(guān)的硬線信號以及白天夜晚的識別信號接入車身控制器（BCM），遠(yuǎn)光燈的驅(qū)動也由BCM來完成，為不增加額外的硬件負(fù)荷，以下分配方案中仍保持原架構(gòu)方案的接口。因此以上智能遠(yuǎn)光的功能可形成以下4種典型的功能分配方案：

圖4 功能分配方案1

功能分配方案1：如圖4所示，將輸入1、輸入2、輸入3及輸入5分配給BCM，將輸入4分配給數(shù)據(jù)處理及控制模塊（MODEL），MODEL將識別到的原始數(shù)據(jù)處理后，對外發(fā)送有車、無車、路燈及霧天的結(jié)果信息給BCM，由BCM結(jié)合整車的其它輸入條件綜合判斷后，最終決定遠(yuǎn)光燈的自動點(diǎn)亮或熄滅，以及發(fā)送給組合儀表顯示自動遠(yuǎn)光的狀態(tài)信息。

圖5 功能分配方案2

功能分配方案2：如圖5所示，將輸入1、輸入4、輸入5分配給MODEL，實現(xiàn)的邏輯是由該模塊做判斷，將遠(yuǎn)光點(diǎn)亮或熄滅的結(jié)果發(fā)送給BCM，由BCM結(jié)合輸入2和輸入3最終決定遠(yuǎn)光燈點(diǎn)亮或熄滅，以及發(fā)送給組合儀表顯示自動遠(yuǎn)光的狀態(tài)信息。

圖6 功能分配方案3

功能分配方案3：如圖6所示，BCM將輸入2和輸入3的信息通過總線發(fā)送給MODEL，輸入1、輸入4、輸入5分配給MODEL，由該模塊綜合判斷所有的情況最終決定遠(yuǎn)光燈的點(diǎn)亮或熄滅，將最終的結(jié)果通過總線發(fā)送給BCM，由BCM驅(qū)動遠(yuǎn)光燈的點(diǎn)亮或熄滅，以及儀表的遠(yuǎn)光燈狀態(tài)指示信息。

圖7 功能分配方案4

功能分配方案4：如圖7所示，將所有的輸入條件都分配給BCM，由BCM接收路面識別的攝像頭信息并集成算法，綜合判斷所有條件后給出最終驅(qū)動遠(yuǎn)光燈的點(diǎn)亮或熄滅，以及儀表的遠(yuǎn)光燈狀態(tài)指示信息。

2.4 功能分配分析

按上節(jié)的功能分配方案和現(xiàn)有的通用的架構(gòu)形式可導(dǎo)出如下信息流。其中IN2/IN3/OUT1部分的信號流為原架構(gòu)中已存在的信息，對該功能分配無影響；IN4/IN1/IN5/OUT2的信息流雖然是由于新增功能而增加的信息流，但對這幾種功能分配方案無影響；重點(diǎn)考慮MODEL和BCM的信息流變化情況。

圖8 功能分配方案1的信息流

圖8 為功能分配方案1的新增功能給控制器帶來的負(fù)載的增加和通訊時延的示意圖。從圖8分析來看，端到端的總時延小于500 ms，MODEL的負(fù)載增加10%，BCM的負(fù)載增加2%；CAN1/CAN2/CAN3/CAN4傳輸?shù)亩际巧贁?shù)的信號，總的總線負(fù)載增加3%；該方案滿足功能要求和總線負(fù)載要求，表明該方案可行。

圖9 功能分配方案2的負(fù)載和通訊時延

圖9為功能分配方案2的新增功能給控制器帶來的負(fù)載的增加和通訊時延的示意圖。從圖9分析來看，該方案MODEL的負(fù)載增加12%；BCM的負(fù)載增加2%；總的總線負(fù)載增加3%；端到端的時延小于500 ms，滿足功能設(shè)計要求，控制器也能承擔(dān)負(fù)載的增加，表明該方案可行。

圖10為功能分配方案3的新增功能給控制器帶來的負(fù)載的增加和通訊時延的示意圖。從圖10分析來看，所有的輸入都發(fā)給MODEL，由MODEL做統(tǒng)合各條件進(jìn)行判斷做出輸出的決策，因此MODEL控制器負(fù)載增加15%；BCM的負(fù)載可忽略；總線通訊的負(fù)載增加4%；端到端的時延小于500 ms，表明該分配方案可行。

圖10 功能分配方案3的負(fù)載和通訊時延

圖11 功能分配方案4的負(fù)載和通訊時延

圖11 為功能分配方案4的新增功能給控制器帶來的負(fù)載的增加和通訊時延的示意圖。從圖11分析來看，所有的輸入條件（有的輸入需經(jīng)過網(wǎng)關(guān)）都分配給BCM，由BCM做圖象處理，信息綜合判斷，最終得出支持兩個輸出。由于原車BCM只做開關(guān)量等簡單的邏輯判斷，新增的圖像處理使BCM負(fù)載增加50%；整車總線負(fù)載增加2%；端到端的通訊時延小于500 ms。該方案已超出BCM控制器的負(fù)荷，因此方案不可行。

功能分配設(shè)計時不僅要考慮控制器的負(fù)載和總線負(fù)載，還要考慮端到端的功能延遲、功能分配對成本的影響、整車質(zhì)量的影響以及擴(kuò)展性進(jìn)行分析與比較，見表1。

表1 功能分配方案比較

綜上所述，增加新功能的不同的分配方案給控制器和總線都帶來一定的負(fù)載變化。方案四的BCM負(fù)載超出了原有BCM硬件所允許的最大值，勢必導(dǎo)致要更換新的BCM，與設(shè)計初衷相違背，線束上增加成本高的同軸電纜，布置也較為困難。而其它幾個方案基本都能滿足功能的要求，但做功能分配設(shè)計時還有個考量是相同類似的功能放到一個控制單元中，可簡化軟件和硬件設(shè)計，還要根據(jù)各整車廠的平臺資源、車型的變型等合理地選配。當(dāng)然表格中比較數(shù)據(jù)是為說明分析方法的相對數(shù)據(jù)，而非實測數(shù)據(jù)。

2.5 功能分配的評價

以上討論了功能分配主要考慮的因素，但分配后的結(jié)果對整車而言如何進(jìn)行評價是關(guān)鍵。好的E/E架構(gòu)設(shè)計即能節(jié)約成本又能具有良好的擴(kuò)展性以滿足現(xiàn)在用戶的個性化需求。對功能分配的評價主要是4個大的方向：

（1）成本：包括ECU的成本、網(wǎng)絡(luò)通訊的成本、線束布置帶來的成本；

（2）性能：包括網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載及響應(yīng)時間、功能端到端的時延、CPU的響應(yīng)速度；

（3）可擴(kuò)展性：包括CPU的計算能力、網(wǎng)絡(luò)的帶寬余量、車型從低配到高配的功能可覆蓋性；

（4）功能安全：包括滿足ISO 26262的安全等級要求[4]。

通過工具來進(jìn)行各方案的功能分配方案及評價，也要結(jié)合不同級別的車型以及產(chǎn)量的大小，達(dá)到成本與性能的最優(yōu)化。

3 結(jié)束語

功能分配的方法可是基于PREEvision工具來實現(xiàn)的。通過建立功能模型，到不同的映射體現(xiàn)不同的功能分配結(jié)果，并對不同的方案進(jìn)行時序分析、負(fù)載分析、成本分析、可擴(kuò)展性和功能安全分析，以確保設(shè)計之初的方案合理性。這種方法不僅能加速開發(fā)過程，而且對不同產(chǎn)品、不同的變型管理之間、功能及功能規(guī)范需求之間都有可追溯性，減少后期設(shè)計變更[5]。因此說，合理的功能分配是汽車E/E架構(gòu)設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)。